16. 번인의 원인 OLED 수명문제 해결 가능할까? (2) - 결론

번인으로 검색하셔서 방문하신 분들은 번인에 관한 포스팅을 먼저 보고오시길 추천합니다.

아몰레드 번인에 대해 알아보자 (1) - 정의편^[각주:1]

아몰레드 번인에 대해 알아보자 (2) - 현상편^[각주:2]

번인의 원인 OLED 수명문제 해결 가능할까? (1) - 원인^[각주:3]

수많은 치료기술개발 성공 기사에도 암, 치매가 아직도 정복되지 못한 이유

"새로운 CAR-T 치료제 개발, 암정복에 성큼 다가서" - 2018. 02. 23

"단국대 연구팀, 간암 치료 가능한 유전자 치료법 개발" - 2015. 07. 21

"알앤엘바이오 '줄기세포로 암정복 시작" - 2010. 07. 28

"암세포 전이 억제 매커니즘 밝혔다" - 2005. 04. 13

3개월 전에도.. 3년전에도.. 8년 전에도.. 13년 전에도 암은 항상 곧 정복될 것만 같았습니다. 물론 최근에는 진단법과 치료법의 발달로 생존율이 크게 올라서 암걸리면 무조건 죽는다 생각했던 예전과는 비교할 수 없지만 그래도 아직 암은 인간의 건강과 삶의 질에 큰 영향을 줄 수 있는 질병임에는 틀림없습니다.

이렇게 과거에도 의학쪽 헤드라인을 장식해온 암치료에 관한 뉴스들은 항상 존재해왔고 앞으로도 암이 완전히 정복되는 순간까지 지속적으로 나올것입니다. 이번 포스팅에서 암정복 관한 내용으로 시작한 이유는 이러한 암정복에 관한 뉴스처럼 "OLED의 수명문제 해결"에 대한 뉴스가 이슈가 되었기 때문입니다.

"삼성전자&이화여대, OLED 청색 소자 수명저하 이유 밝혀내" - 2018. 03. 26

OLED의 번인문제의 원인으로 항상 지적되어 왔던 청색소자 수명문제에 대한 원인을 찾았고, 대안을 제시했다는 위 기사의 내용은 상당히 흥미로운 소재가 아닐 수 없었습니다. 기사가 나오자마자 해당논문을 찾아보았고, 읽는 내내 상당히 흥미롭게 읽었던 기억이 있습니다. 논문의 내용이 기존 OLED 학계에서 분석하는 방법과는 차이가 많았고, 사용하는 용어나 분석기술들이 생소한 것들이 많아 새로 공부하면서 읽는 수준이라 내용이해를 하는데 조금 애를 먹었습니다. 그래서 찾아보니 이화여대 유영민 교수님은 분자광학을 주로 하신분으로 저술하신 논문 중 OLED는 이번이 처음이신 교수님이었습니다.

분명한 것은 편견과 굳어진 시야로 바라보는 것이 아닌 타학계에서 바라본 OLED의 수명문제에 대한 접근이라서 더욱 흥미로웠고, 충분히 원인을 뒷바침할 논리적인 증거들을 보여주었다는 겁니다. 지금까지의 청색 OLED 소자 수명문제는 "당연히 청색이 발광하는데 에너지가 많이 필요하니까"라는 대전제에서 더 적극적으로 의문을 품고 이 문제에 대해 논리적인 해석을 하지 않았다는게 문제였습니다.

OLED학계에서의 청색 소자 논문들을 보면 대부분의 레파토리가 한결같습니다.

물질합성 > 소자제작 > 특성에 대한 결론(대부분 HOMO LUMO와 전자이동도, 스펙트럼에 대한 이야기)

그 어디에도 수명이 왜 개선되었는지에 대한 접근을 감히 하지 못합니다. 왜냐하면 이 원인해결을 다양한 물질합성을 통한 노가다로 해결해서 어떻게든 하나 걸리면 그에 대한 원인을 나중에 끼워 맞추어서 논리전개를 해버리는 것이 학계의 관행이었기 때문입니다. 그러나 이번 논문은 수명개선 매커니즘에 대해 논리적으로 해석하려는 시도가 많이 보였고, 충분히 설득할 수 있는 데이터를 많이 제시했습니다. 어떠한 매커니즘 때문에 청색소자 수명이 짧은지 이 논문에서 제시하는 내용에 대해 간략히 교양과학 수준에서 정리해보았습니다.

일단 최대한 간략히 OLED의 발광매커니즘에 대해 설명하자면 OLED는 발광층(Emission layer)이라는 빛을 발하는데 유리한 재료로 구성되어 있는 층이 존재하고, 이 발광층은 호스트(Host)와 도판트(Dopant)라는 두가지 재료로 대부분 이루어져 있습니다. 호스트는 에너지를 공급하는 역할을 하고 도판트는 이 에너지를 바탕으로 빛으로 변환하는 역할을 하게 됩니다. 

그런데 문제는 호스트에서 에너지를 도판트에 전달해 주는 과정인 에너지 전이(Energy transfer)라는 과정에서 무언가 문제가 발생하게 됩니다. 이 문제를 지난번 포스팅에서 6. 구동스트레스(Drive stress)라고 표현하였고, 또 이 부분의 문제가 현재의 청색 소자의 수명문제에서 가장 큰 요인이 된다고 말씀드렸습니다. 왜냐하면 발광층을 제외한 모든 재료특성들이 기술적으로 완성된 수준에 이르렀지만 청색소자에서만 유독 이 수명문제가 해결되지 않았기 때문에 청색이 발광하는 구동과정에서 문제가 생긴다고 추론할 수 있기 때문입니다.

<사진1. 청색 OLED 수명 저하 매커니즘>

사진1은 위에서 말씀드린 구동스트레스가 벌어질 수 있는 발광현상 매커니즘을 도식화해놓은 그림입니다.

1. 안정항 상태(Stable state) : 어떠한 에너지도 갖지 않은 호스트 도판트의 전자가 모두 HOMO에너지에 안정히 자리잡고 있는 상태입니다.

2. 호스트 들뜬상태(Excited state in host) : 호스트의 전자가 에너지를 얻어서 LUMO에너지로 올라간 상태입니다. 들뜬 상태를 기호로 *(스타)라고 표현합니다.

3. 에너지 전이(Energy transition) : 이 부분에서 문제가 발생합니다. 1번 루트는 일반적인 에너지 전이 상태입니다. 호스트의 전자에너지가 도판트를 들뜬 상태로 만들었고 호스트는 다시 안정한 상태로 돌아갔습니다. 이 후 들뜬 도판트의 전자가 안정한 에너지로 내려오면서 빛을 방출하는 아주 이상적인 상태가 벌어집니다.

그러나 2번루트는 문제가 조금 심각합니다. 호스트가 들떠있는 상태에서 빠르게 에너지 전이를 해주지 못해서 도판트의 전자가 호스트의 HOMO로 먼저 들어와 버립니다. 그러면 호스트에는 전자가 3개이고 도판트는 전자1개인 상태가 되어버리는데 이러한 상태를 화학적으로는 라디칼(Radical)이라 부르고 전자가 하나 많은 상태를 라디칼 음이온(Radical anion)이라 부르고 전자가 하나 적은 상태를 라디칼 양이온(Radical cation)이라 부릅니다. 라디칼은 전자가 하나씩 부족하거나 많은 화학종(Chemical species)로 반응성이 매우 크므로 안정함을 유지해야하는 화학분야에서는 큰 암적인 존재와 같습니다. 일반적으로 OLED에서는 폴라론(Polaron)이라는 용어로 더 많이 사용하므로 여기서는 전자를 양폴라론 후자를 음폴라론이라고 칭하겠습니다.

설명을 이어가자면 음폴라론이 형성되면 두가지의 경우가 생깁니다. 호스트의 에너지를 다시 도판트에서 가져가서 사진1의 1. 안정한상태로 돌아가던지 아니면 반응성이 큰 폴라론 형태로 다른 분자들의 결합을 끊거나 결합을 바꾸어 버리는 화학적인 활동을 하게 됩니다. 두번째 상태는 당연히 OLED의 수명에 큰 영향을 미치게 됩니다. 원래의 분자형태를 잃거나 전혀 다른 형태의 분자로 구조를 바꾸어 버리는 현상을 발생시키는 것이니 말입니다.

<사진2. 호스트 도판트의 폴라론 형성과 이에 따른 CN결합의 절단 현상 모식도> *출처 : 삼성전자

논문의 대부분은 이 폴라론이 형성되는 증거에 대해 제시하고 있습니다. 분자광학분야의 시점에서 접근한 것입니다. 정리를 해보자면 다음과 같습니다.

1. EPR(Electron Paramagnetic Resonance)로 폴라론 생성정도를 직접 측정하였다. 
  (*폴라론은 전하를 띄는 이온형태이므로 강한 자기장을 걸어주면 반응하게 되는데 EPR은 이 크기를 측정하므로 폴라론의 존재유무와 크기를 측정 할 수 있음.)

2. 호스트와 도판트를 각 각 용액으로 만들어서 한가지 물질을 들뜨게 만들어 EPR로 측정하면 폴라론이 나타나지 않았다.

3. 그런데 호스트와 도판트를 섞어서 용액으로 만들어 들뜬상태로 만들면 폴라론 농도가 커지기 시작했다.

4. 따라서 호스트와 도판트의 에너지 전이상태에서 폴라론들이 생기게 됨을 알 수 있다.

이렇게 폴라론들이 형성되는 증거들을 제시했고 비교물질 4개의 산화환원에너지에 따른 폴라론 생성비율과 소자의 수명과의 관계를 정리해놓은것이 이 논문의 주된 내용입니다. 그래서 소자수명 개선의 핵심은 이 폴라론의 생성 억제와 이미 생성된 폴라론의 효율적인 제거방법입니다. 이 폴라론의 억제와 효율적인 제거는 모두 호스트와 도판트 물질의 산화환원에너지의 최적화에 달려있는데 문제는 이 산화환원에너지차이가 곧 청색이기 때문에 발생할 수 밖에 없는 차이라는 것이 문제입니다.

논문 마지막 말미에 이러한 문구가 나옵니다. "The combined effect is a longer lifetime of radical ion pairs in an emitting layer of a blue-phosphorescent OLED than those of green-phosphorescent and red-phosphorescent OLEDs." 해석을 해보자면 녹색과 적색 OLED보다 긴 청색 OLED의 라디칼 이온쌍들의 수명이 문제라는 것을 알 수 있는데 문제는 청색은 이 논문에서 라디칼 이온쌍 즉, 폴라론의 수명을 알 수 있지만 녹색과 적색의 폴라론 수명이 얼마나 된다는 것을 전혀 알 길이 없다는 것입니다. 레퍼런스도 달려있지 않고 논문에서도 값을 제시 하지 않습니다.

이말은 결국 청색이기 때문에 소자 수명이 짧다라는 말과 다를바가 없는 말입니다. 결론적으로 기사제목대로 이 논문의 의의는 논리적으로 수명문제에 대한 원인 제시를 해놓은 것에 의의를 두어야 합니다. 몇몇 각색된 기사에서는 청색 OLED의 수명문제를 해결했다는 듯한 뉘앙스를 주기도 하는데 이러한 기사내용에 따르면 암은 몇십년전에 정복되었어야 할 겁니다. 

분명 OLED 청색소자 수명문제를 좋은 시도로 좋은 해석을 해준 좋은 논문임에는 틀림없습니다. 제 1저자도 김신희 석사과정이라고 하는데 석사과정중에 이러한 훌륭한 논문을 저술한 것을 보면 가능성이 굉장히 무궁무진해 보입니다. 

결론을 내리자면 OLED의 청색 수명문제 해결의 근본적인 해결은 아직 요원하고, 언젠가 가능하더라도 당장해결할 수 있는 상황이 아니라는 겁니다. 분명 계속 개선해 나아가고는 있지만 눈높이가 높아질대로 높아진 소비자들이 번인(Burn-in)문제에 언제까지 너그러울 수 있을지가 문제입니다. 소비자들은 문제를 공부하는 사람들이 아닙니다. 원인에 대한 이러쿵 저러쿵 변명은 통하지 않습니다. OLED는 좋은 화질과 여러 장점으로 단점을 무마시키고는 있지만 번인같이 이렇게 큰 시한폭탄을 계속 안고 가다가 비판적여론은 한번에 크게 폭발할 수 있습니다. 

OLED 업계는 현재의 녹색 수준정도까지는 청색 OLED 소자의 빠른 수명 개선이 꼭 필요한 상태입니다. 빠른시일내에 이루어져서 OLED가 계속 경쟁력있는 디스플레이 기술로 남았으면 하는 바램입니다. 

논문 출처 : Nature Communications 9, 1211(2018)

1. 아몰레드 번인의 사전적 정의에 대해 알아본다. [본문으로]
2. 아몰레드 번인이 일어나면 어떠한 현상을 보이는지 또 그 이유는 무엇인지 알아본다. [본문으로]
3. OLED의 수명에 미치는 요인들 분석 [본문으로]